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    光子反沖成像:觀察分子內部的新方法

    儀器信息網 2020/10/09 09:31:46 點擊 44 次
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    [導讀] 創新的“光子反沖成像”(Photon-recoil imaging)技術,可以使人們更好地了解原子級的化學反應,將成為探索非線性X射線物理學的有力工具。

      近日,德國和瑞典科學家利用歐洲X射線自由電子激光裝置(XFEL),通過創新的“光子反沖成像”(Photon-recoil imaging)技術,研究X射線與原子之間相互作用的基本過程。該方法可以使人們更好地了解原子級的化學反應,將成為探索非線性X射線物理學的有力工具。

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      a)自發x射線拉曼散射的受激原子分布。

      b)受激x射線拉曼散射的增激發態原子分布(窄線)。?

      圖片來源:網絡(mbi-berlin.de)

      觀察X射線與原子之間相互作用

      1921年,愛因斯坦因發現光的量化,即光子作為光粒子流與物質相互作用,獲得了諾貝爾物理學獎。從量子力學的早期開始,人們就知道光子具有動量。原子對光子的吸收和發射是光與物質相互作用的基本過程。自1960年代以來,強激光束的出現推動了所謂的“非線性光學”的發展。于是科學家們進一步研究,用X射線代替可見光來操作非線性光學系統,即將非線性光學擴展到X射線光譜域。但由于非線性效應難以捉摸的性質,盡管理論概念數十年前就已提出,迄今科學家們仍在努力實現這一目標。隨著2017年位于漢堡的XFEL的投入使用,科學界朝著這一目標更近了一步。

      最近,德國柏林馬克斯·波恩非線性光學和超快光譜研究所(MBI)、瑞典烏普薩拉大學和位于漢堡的歐洲X射線自由電子激光裝置(XFEL)的研究人員合作開發出“光子反沖成像”技術,用來觀察X射線與原子之間相互作用的基本過程。該技術可以區分X射線范圍內的自發和受激拉曼散射(SRS),使得人們幾乎可以對單個原子上受激拉曼散射進行自由地研究。相關的理論分析和實驗結果發表在《科學》雜志上。

      為了測量實驗中激發原子的散射,研究人員將準直的氖原子超聲束與XFEL光束成直角相交。當X射線光子的能量與氖的俄歇躍遷能量發生共振時,瞬態激發原子會受到自發拉曼散射的影響。優化X射線的強度和光子能量,則瞬態激發原子在自發衰減之前會與另一個具有適當光子能量的XFEL光子相互作用,產生受激拉曼散射,并沿入射光子的方向發射光子。此過程需要來自X射線的兩個光子,因此是非線性的。由受激拉曼散射引起的激發原子基本上不會發生偏轉,在檢測器上顯示為一條銳利的直線。

      有望更好地了解原子級化學反應

      論文第一作者,柏林馬克斯·波恩研究所的烏利·艾希曼教授解釋說,在受激拉曼散射過程中,兩個光子沿與兩個入射光子完全相同的方向離開原子,原子不改變其動量,也不改變其飛行方向。這與更頻繁的線性過程截然不同。在線性過程中,首先吸收一個光子,然后發射另一個光子。由于發射的光子通常以不同的方向發送,因此原子發生偏轉。通過觀察原子的飛行方向,研究人員能夠清楚地將X射線激發的拉曼過程與其他過程區分開。

      XFEL的邁克爾·邁耶博士解釋說:“如果將來我們將新方法與不同波長的X射線脈沖一起使用,就會帶來特殊的可能性。”具有不同波長的X射線脈沖可以專門處理分子中的單個原子,因此可以詳細了解分子中電子的波函數隨時間變化的方式。這為研究非線性X射線過程建立了非常有前途的分析技術。

      長遠來看,科學家們還希望借助定制的激光脈沖對其產生影響。烏普薩拉大學的賈恩-埃里克·魯本森教授說:“我們的方法有望使人們更好地了解原子級的化學反應,將來甚至可能影響它們。”


    [來源:科技日報]  
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      10月10日 06:18:47

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